Thiết kế, thi công mô hình hệ thống điều khiển động cơ Toyota Camry 2AR-FE và hệ thống tạo Pan ứng dụng IoT

66

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 53 (07/2019)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh

THIẾT KẾ, THI CÔNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
TOYOTA CAMRY 2AR-FE VÀ HỆ THỐNG TẠO PAN ỨNG DỤNG IOT
DESIGN AND IMPLEMENT THE ENGINE CONTROL SYSTEM
OF TOYOTA CAMRY 2AR-FE AND FAULT CREATION SYSTEM
USING IOT TECHNOLOGY
Nguyễn Kim, Lê Khánh Tân
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Việt Nam
Ngày toà soạn nhận bài 25/2/2019, ngày phản biện đánh giá 20/3/2019, ngày chấp nhận đăng18/4/2019.

TÓM TẮT
Hiện nay, trên thị trường thiết bị mô hình dạy học ở Việt Nam, có rất nhiều chủng loại
các mô hình hệ thống điện điều khiển động cơ, nhưng chỉ thực hiện trên động cơ phun xăng
điện tử đời cũ, chưa có mô hình nào về hệ thống điều khiển động cơ sử dụng công nghệ mới.
Vì vậy, việc giảng dạy và học tập sinh viên gặp nhiều khó khăn. Vì vậy nhằm đáp ứng tốt cho
nhu cầu đào tạo cho công nghiệp hiện nay, nhóm nghiên cứu đã thực hiện thiết kế thi công
mô hình hệ thống điều khiển động cơ Toyota Camry 2AR-FE kết hợp triển khai ứng dụng
công nghệ IoT để trích xuất các dữ liệu thông số cơ bản kết nối máy tính, điều khiển động cơ,
hệ thống tạo Pan nhằm phục vụ tốt cho công tác đào tạo và kiểm tra tay nghề.
Sản phẩm sau khi hoàn thành cung cấp cho người học mô hình động cơ Toyota 2AR-FE
đầy đủ tất cả các cảm biến, cơ cấu chấp hành, bộ điều khiển trung tâm, ứng dụng IoT trong
thiết kế, chế tạo mô hình đánh PAN, cổng giao tiếp máy tính thông qua phần mềm LabVIEW,
cổng giao tiếp máy chẩn đoán Techstream thông qua thiết bị OBD II. Qua đó người học tiếp
cận nhanh và ứng dụng tốt vào các bài thực hành và nghiên cứu khoa học.
Từ khóa: Hệ thống điều khiển động cơ; ứng dụng IoT; cảm biến; cơ cấu chấp hành; chẩn đoán.
ABSTRACT
Currently, in Vietnam, there are many types of engine control system models, but they are

only implemented on old generation of electronic fuel injection engines. Which these models, the
teaching and learning of students have faced many difficulties. Therefore, in order to meet the
current training for industrial needs, the research team has designed and implemented the model
of Toyota Camry 2AR-FE engine control system in combination with IoT technology along with
data acquisition, fault simulation system to better serve for training and skills testing.
The finished product provides learners with the Toyota 2AR-FE engine a model with all
sensors, actuators, central controllers, IoT applications in fault simulation, the data
acquisition through LabVIEW software, the interface of Techstream diagnostic through OBD II
connector. Thereby, learners are able to approach to practical exercises and research quickly.
Keywords: Engine control system; IoT application; sensors; actuators; diagnostics.
1.

GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI

quen đi lại của con người cũng được thay đổi
thì ô tô được xem là phương tiện thông dụng,
đặc biệt là ở Việt Nam, chính điều đó đã thúc
đẩy công nghệ ô tô phát triển rất mạnh mẽ.

Trong bối cảnh cuộc cách mạng công
nghiệp 4.0 đang diễn ra tại nhiều nước trên
thế giới và sức ảnh hưởng của nó đến các nền
kinh tế là vô cùng lớn, nó mang đến cho nhân
Nhằm tạo điều kiện cho người học dễ
loại cơ hội để thay đổi bộ mặt các nền kinh tế. dàng tiếp cận với thiết bị mới trong học tập,
Đồng thời, xã hội ngày càng phát triển, thói rèn luyện kỹ năng kiểm tra, chẩn đoán, thu


Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 53 (07/2019)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh

thập thông tin hướng nghiên cứu phát triển về
công nghệ mới hệ thống điều khiển động cơ,
hỗ trợ giảng viên cũng như sinh viên trong
việc giảng dạy và học tập trở nên thực tế hơn,
cụ thể hơn và thuận tiện hơn, nhóm nghiên
cứu quyết định thực hiện đề tài ““Nghiên
cứu, thiết kế, thi công mô hình hệ thống
điều khiển động cơ Toyota 2AR-FE” với
mong muốn tạo ra một sản phẩm có thể áp
dụng vào giảng dạy ngay học phần mà mình
đang đảm trách.
Sản phẩm đề tài sau khi hoàn thành cung
cấp cho người học mô hình hoạt động hoàn
chỉnh động cơ Toyota 2AR-FE. Hệ thống tạo
Pan ứng dụng công nghệ IoT thông qua chuẩn
kết nối TCP/IP trên phần mềm LabVIEW sẽ
giúp tạo ra các bài kiểm tra đánh giá người
học. Đặc biệt, mô hình có thể ứng dụng vào
các cuộc thi kiểm tra tay nghề kỹ thuật viên.
2.

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH.

2.1 Giới thiệu tổng quan về động cơ
Toyota 2AR-FE

67

bobine và tốc độ động cơ, lấy tín hiệu từ một

chân #10 hoặc #20 trên mỗi kim phun về ECU
động cơ để đo thời gian mà kim phun nhiên
liệu với mỗi chu kỳ của máy. [2]
2.2 Thiết kế, mô phỏng khung mô hình
trên phần mềm SolidWorks

Hình 2. Bản vẽ, khung mô hình trên phần
mềm SolidWorks.
Khung mô hình được thiết kế dựa trên
phần mềm CAD 3D SolidWorks. Các thông
số được đo đạc từ kích thước thực tế của động
cơ và được thiết kế tối ưu về mặt không gian.
2.3 Thi công khung mô hình

Hình 3. Khung mô hình sau khi thi công.

Hình 1. Động cơ Toyota 2AR-FE.
Động cơ 2AR-FE của hãng Toyota là
động cơ xăng có 4 xy lanh thẳng hàng, dung
tích xy lanh 2.5 lít, trục cam kép DOHC 16
xupap dẫn động bằng xích, hệ thống phân
phối khí biến thiên thông minh kép (Dual
VVT-i), hệ thống đánh lửa trực tiếp (DIS), hệ
thống điều chỉnh chiều dài đường ống nạp
(ACIS), hệ thống điều khiển bướm ga điện tử
thông minh (ETCS-i). Động cơ này được
phát triển để đạt được hiệu suất cao, êm dịu,
tiết kiệm nhiên liệu và khí thải sạch hơn. [1]
Ta thực hiện thu thập tín hiệu từ các cảm
biến: nhiệt độ nước làm mát, nhiệt độ khí nạp,

vị trí bướm ga, cảm biến lưu lượng khí nạp,
lấy tín hiệu IGT để đo thời gian ngậm điện của

Khung mô hình sau khi thi công được xử
lý bề mặt và sơn chống rỉ hoàn chỉnh. Các vị
trí chân động cơ được thiết kế cao su giảm
chấn giúp tạo độ êm dịu khi vận hành.
2.4 Thiết kế mạch nguồn

Hình 4. Bản vẽ mạch cấp nguồn.


68

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 53 (07/2019)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh

Sơ đồ cấp nguồn được thiết kế dựa trên
phần mềm Proteus. Mạch nguồn phải được
tối ưu cho hệ thống điều khiển động cơ, máy
tính điều khiển và hệ thống đánh PAN.[3]

3.

THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH THI CÔNG
MẠCH TẠO PAN

3.1 Thiết kế mạch tạo PAN cơ khí

Hình 5. Mạch nguồn sau khi thi công.

Hình 8. Bảng công tắt tạo PAN cơ khí.

Mạch nguồn sau khi hoàn thành được bố
trí vào một hộp chuyên dùng. Các cầu chì và
relay được bố trí hợp lí đảm bảo cho hệ thống
làm việc tin cậy và dễ dàng chẩn đoán, sửa
chữa sau này.[3]

Ta sử dụng các công tắt cơ khí để đánh
PAN và các bài kiểm tra trên động cơ. Bảng
công tắt cơ khí được đặt trong thùng mô hình
và có thể khóa thùng lại. Tạo nên tính bảo
mật khi đánh PAN bằng các công tác cơ khí,
trong điều kiện không sử dụng được đánh
PAN điện tử. [4]

2.5 Sơ đồ khối bố trí thiết bị trên mô hình

Hình 6. Thiết bị trên mô hình.

Hình 9. Vị trí các cảm biến được tạo Pan.
Các vị trí tạo PAN là các tín hiệu cảm
biến và cơ cấu chấp hành thông dụng, giúp
người học dễ dàng nắm bắt quy trình. [4][5]
3.2 Thiết kế mạch tạo PAN điện tử
Hình 7. Mô hình tổng thể.
Tổng thể mô hình được thiết kế nhằm
giúp người học nắm được những đặc điểm
khác biệt về hoạt động các loại cảm biến, các

cơ cấu chấp hành. Bên cạnh đó, người học có
thể chọn lọc các xung, tín hiệu cơ bản của hệ
thống điện điều khiển trên động cơ. Từ đó
giúp trực quan hoá và rút ngắn quá trình đào
tạo về chẩn đoán động cơ.

Hình 10. Phần cứng của Arduino UNO


Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 53 (07/2019)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh

69

Nền tảng Arduino là nền tảng cơ bản,
nguồn mở và cực kỳ dễ tiếp cận đối với
những người không chuyên [5]. Ở đề tài này,
board mạch Arduino UNO được lựa chọn
làm board mạch chính để điều khiển hệ thống
đánh PAN điện tử. Board mạch này sẽ nhận
lệnh điều khiển từ máy tính, sau đó nó sẽ
điều khiển đóng ngắt các relay tương ứng để
tạo ra các PAN trong hệ thống điện đã được
cài đặt sẵn.

Máy tính sử dụng chức năng giao tiếp
Serial để giao tiếp với Arduino. Máy tính sẽ
mở cổng COM sau đó các nội dung trong
output buffer của Arduino sẽ được truyền
qua máy tính và lưu ở input buffer. Máy tính

đọc những dòng đó rồi quy ra lệnh điều khiển
(Serial Command). [5]

Hình 11. Hộp điều khiển tạo PAN điện tử

Hình 14. Mô hình khối VISA trong LabVIEW.

Việc tạo PAN được thực hiện bằng các
đóng ngắt các relay tương ứng. Các relay
được thiết kế thành một module chung. Lệnh
điều khiển từ board Arduino sẽ được cách li
quang trước khi tác động điều khiển relay.

Khối VISA đóng vai trò như cửa ngõ
giúp phần mềm LabVIEW kết nối với các
phần cứng bên ngoài. Nó cho phép cấu hình
các thông số của đường truyền, đồng thời
truyền và nhận dữ liệu qua các cổng COM
tương ứng. [5].

4.

THIẾT KẾ PHẦN MỀM ĐIỀU
KHIỂN MÔ HÌNH ỨNG DỤNG IOT

4.2 Chương trình LabVIEW giao tiếp
RS232 sử dụng chuẩn TCP/IP để kết
nối Sever và Client

4.1 Chương trình Arduino

Hình 12. Sơ đồ khối truyền tín hiệu.
Arduino được lập trình để nhận tín hiệu
từ LabVIEW để xuất tín hiệu điều khiển
module relay 8 channel.
Hình 15. Mô hình khối TCP Listen và TCP
Read.

Hình 13. Sơ đồ khối giao tiếp LabVIEW và
Arduino.

Khối TCP Open: mở chương trình kết
nối mạng TCP đã khởi tạo từ khối TCP
Listen. Khối TCP Write: ghi dữ liệu vào kết
nối mạng TCP. Khối TCP Read: đọc con số


70

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 53 (07/2019)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh

bằng cổng bytes to read thông qua kết nối
mạng TCP. Khối TCP Close Connection: kết
thúc chương trình kết nối mạng TCP. [5]

Hình 19. Giao diện người dùng khi sinh viên
đã nộp bài.

Hình 16. Mô hình khối Elapsed Time.

Khối Elapse Time dùng để đếm ngược
thời gian chọn đáp án của sinh viên, dùng
chương trình chính để đặt thời gian đếm
ngược. [4]
5

THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
KẾT QUẢ HỆ THỐNG ĐÁNH PAN
ĐIỆN TỬ

5.1 Chương trình tạo PAN dành cho
giảng viên
Giao diện trên máy tính Sever sẽ dành
cho giảng viên thao tác tạo PAN trên mô hình
cho người học kiểm tra và chẩn đoán.

Hình 17. Giao diện người dùng khi đã nhập
đúng mật khẩu.

Khi sinh viên đã nộp bài, trên ô thông
báo sẽ hiển thị cho giảng viên biết, đồng thời
khoá giao diện của sinh viên lại. Việc kế nối
giữa 2 máy tính Sever của giảng viên và máy
tính Client của sinh viên là hoàn toàn không
dây nhờ ứng dụng công nghệ IoT chuẩn
TCP/IP. [6]
5.2 Chương trình đánh PAN dành cho
sinh viên và học viên
Giao diện của sinh viên sẽ cho phép họ
lựa chọn các đáp án dạng trắc nghiệm. Đồng

thời chương trình có thể kiểm soát thời gian
làm bài cũng như thông báo kết quả cho
người học biết.

Hình 20. Giao diện người dùng khi mới chạy
chương trình - giảng viên chưa “cho phép
làm bài”.
Khi giảng viên chưa cho phép làm bài
thì trên giao diện của người học sẽ không
hiển thị các đáp án.

Hình 18. Giao diện người dùng khi đã nhập
chọn đánh PAN IGT1 và nhập thời gian làm
bài là “10” phút.
Khi giảng viên nhấn nút cho phép làm
bài, cửa sổ câu trắc nghiệm trên giao diện
của sinh viên sẽ được hiển thị để sinh viên
chọn các lỗi sau khi chẩn đoán xong.

Hình 21. Giao diện người dùng khi giảng
viên đã chọn PAN ITG1và cho phép làm bài.


Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 53 (07/2019)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh

Khi giảng viên vừa cho phép làm bài thì
thời gian làm bài trên máy tính Client sẽ
được đếm ngược và nó sẽ thực hiện làm mờ
và vô hiệu hoá các câu trả lời khi thời gian

kết thúc.

Điều đặc biệt quan trọng là mô hình có
thể ứng dụng trong các cuộc thi tay nghề giỏi
nhờ vào công nghệ điều khiển không dây IoT.
Người giảng viên ra đề hoàn toàn có thể tạo
ra các lỗi, cài đặt thời gian làm bài và giám
sát tất cả các hoạt động của mô hình cũng
như các thao tác đo kiểm trên mô hình của
thí sinh từ xa, trong khi vẫn đảm bảo tính bảo
mật cao khi người thí sinh thực hiện chẩn
đoán trên mô hình. Đây là chức năng hiện đại
mà các mô hình trên thị trường chưa có được.
6

Hình 22. Giao diện người dùng khi sinh viên
đã chọn đáp án và đã nộp bài.
Khi sinh viên đã hoàn thành bài làm,
hoặc thời gian làm bài mà giảng viên cài đặt
đã kết thúc, phần chọ đáp án sẽ bị mờ và vô
hiệu hoá. Đồng thời chương trình sẽ tự động
hiển thị chế độ là “Sinh viên đã nộp bài”.
5.3 Đánh giá kết quả
Mô hình hỗ trợ tối đa cho giảng viên
thực hiện các bài giảng vệ hệ thống điện điều
khiện động cơ. Mô hình có thể thực hiện mô
phỏng các tình huống thực tế trên xe ô tô nhờ
vào việc đưa tất cả các chân tín hiệu của cảm
biến và cơ cấu chấp hành lên một bảng rất
trực quan.

71

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Đề tài có nhiều ý nghĩa trong công tác
đào tạo và về mặc khoa học cũng như thực
tiễn. Nội dung cũng như sản phẩm đề tài hỗ
trợ tốt cho công việc giảng dạy của giảng
viên cũng như việc học tập của sinh viên,
đồng thời là cơ sở để sinh viên có thể nghiên
cứu các lĩnh vực khác liên quan đến hệ thống
điện điều khiển động cơ. Sản phẩm của đề tài
cũng hỗ trợ cho sinh viên khả năng rèn luyện
công việc kiểm tra chẩn đoán các bộ phận chi
tiết của hệ thống điều khiển động cơ.
Mô hình đáp ứng về các yêu cầu kỹ thuật,
tính thẩm mỹ, có tính trực quan sinh động hỗ
trợ tốt hơn trong việc tiếp thu các kiến thức
cũng như rèn luyện kỹ năng thực hành thí
nghiệm.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]

Đinh Ngọc Ân, “Trang bị điện trên ô tô máy kéo”, Nhà xuất bản đại học và trung học
chuyên nghiệp Hà nội, 1980
PGS-TS. Đỗ Văn Dũng, “Trang bị điện và điện tử trên ô tô hiện đại”, NXB Đại học Quốc
gia Tp Hồ Chí Minh, 2004.
Michael McRoberts, “Beginning Arduino” second edition, Technology in action,
America, 2008.
Nationsl Instruments Corporation. (2006), “LabVIEW Basic Course Manual”, North
Mopac, Austin, Texas.
S.Sumathi, P.Surekha, “LabVIEW based Advanced Instrumentation System” India, 2007
James D.Halderman, “Diagnosis and Troubleshooting of Automotive Electrical,
Electronic and Computer System”. New Jersey, America, 2012.

Tác giả chịu trách nhiệm bài viết:
Lê Khánh Tân
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
Email: